6RA80調速裝置在張緊輥控制系統(tǒng)中的應用

裴 云　朱海云　高祥鋒　朱英韜

（1.武鋼股份公司設備管理部，湖北　武漢　430083；2.武漢科技大學信息科學與工程學院；3.武漢科大自控系統(tǒng)有限公司，湖北　武漢　430081）

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6RA80調速裝置在張緊輥控制系統(tǒng)中的應用

裴 云1朱海云1高祥鋒2朱英韜3

（1.武鋼股份公司設備管理部，湖北武漢430083；2.武漢科技大學信息科學與工程學院；3.武漢科大自控系統(tǒng)有限公司，湖北武漢430081）

基于西門子6RA80直流調速裝置的主從控制模式，解決了張緊輥傳動系統(tǒng)中速度跟隨和負荷均衡問題，提高了張緊輥傳動系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，并介紹了6RA80的調速方式和參數設置。

主從控制；負荷均衡；6RA80；張緊輥

某連續(xù)帶鋼生產線從國外引進，運行至今將近30年，其自動化控制系統(tǒng)已老化，而且維修困難，嚴重影響生產進行。因此，急需對自動化控制系統(tǒng)進行整體改造。

張緊輥是連續(xù)帶鋼生產線的關鍵設備，它的正常運行是保證帶鋼質量和設備安全的必要條件。負荷均衡是張緊輥傳動系統(tǒng)控制的關鍵，若張緊輥負荷分配不均會導致輥子打滑，電機得不到充分利用，甚至會使帶鋼斷裂。張緊輥由主動輥、從動輥、壓輥組成，主輥需要進行無靜差的基準速度調節(jié)控制，從輥跟隨主輥運行，也需要進行無靜差的基準速度調節(jié)控制。由于無靜差的速度調節(jié)控制不能保證主、從輥嚴格意義上的同步，為避免兩個輥出力不均相互拖動，需要對全線所有的基準速度輥進行負荷均衡控制。

一、自動化系統(tǒng)結構

連續(xù)帶鋼生產線自動化控制系統(tǒng)整體改造，PLC采用西門子S7-400控制，傳動控制系統(tǒng)采用6RA8018-6DV62-0AA0直流調速控制系統(tǒng)，人機界 面軟件采用西門子WINCC7.0。改造后的連續(xù)帶鋼生產線系統(tǒng)通信圖如圖1所示。

圖1中的直流電機由各自對應的直流調速裝置6RA80控制。S7-400PLC通過PROFIBUS-DP網絡與6RA80的CBE20通信板相連接，由此傳送6RA80的狀態(tài)信息及動作指令。

圖1　系統(tǒng)通信圖

直流調速裝置6RA80采用對等通信協(xié)議的串行接口實現點對點（PEER TO PEER）通信。在這種運行模式下，數據通過串口在6RA80之間進行交換。采用對等通信協(xié)議的串行接口不僅能實現了多個6RA80之間的BICO互聯，還能實現不同裝置之間的信號互聯，例如：6RA80與6RA70或6RA24的互聯。對等接口使用連接器X177上的RS485接口（端子37、38、39和40），點對點串行連接圖如圖2所示。

圖2所示的主傳動、從傳動的總線終端電阻已激活，即p50795=1。主傳動發(fā)送控制字和實際值，從傳動接收狀態(tài)字和給定值。

圖2　點對點串行連接圖

二、控制原理及功能實現

連續(xù)帶鋼生產線張緊輥主、從控制系統(tǒng)選用6RA80四象限工作制整流器，控制邏輯采用6RA80內部自帶雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，即為速度外部閉環(huán)和電流內部閉環(huán)控制系統(tǒng)。電機編碼器檢測到的實際速度作為速度環(huán)反饋，當檢測到實際速度變化時，和速度給定進行比較，若實際速度小于速度給定，將二者的差值作為速度環(huán)輸入，經PI調節(jié)后發(fā)送到電流環(huán)，增加電流環(huán)的輸入電流，提高電機的轉矩進行升速。電流環(huán)則通過分流器來檢測實際輸出電流，反饋到電流PI環(huán)入口和速度環(huán)輸出的電流值進行比較，通過控制晶閘管的導通角來控制實際輸出電流值，使輸出電流可控，最終控制電機轉速。

1.控制方案

常用的張緊輥負荷均衡控制方法有2種：方案一，主、從輥分別具有獨立速度環(huán)和電流環(huán)控制。控制過程中，賦予主輥和從輥相同的速度給定，經過速度環(huán)和電流環(huán)的調節(jié)，輸出相同的電流給定。當檢測到主、從輥的電流反饋值存在差異時，將二者的差值進行PI調節(jié)，調節(jié)后的輸出作為速度補償進行調節(jié)，使負荷重新回到平衡。原理如圖3所示。方案二，只給主輥速度環(huán)和電流環(huán)控制，最終將輸出電流同時賦予主、從輥兩個電機。這樣只需要對主輥速度反饋和電流反饋進行調節(jié)，因為無論如何調節(jié)，主、從輥的電流給定始終一致。原理如圖4所示。

圖3　主從負荷分配方案一

圖4　主從負荷分配方案二

2.方案比較

比較而言，方案一簡單易行，只需要對主、從輥分別進行調控即可，然后比較主、從輥的反饋電流，最后通過電流變化進行PI調節(jié)，但是這種負荷平衡系統(tǒng)響應慢，會在最后的電流調節(jié)過程中出現微小的振動。方案二在實施過程中比較復雜，需要在電流給定中增加控制邏輯，即在單動時，從輥的電流給定必須與主輥脫開，形成自己獨立的速度環(huán)和電流環(huán)控制，這樣是防止當從輥空載時因存在電流輸出而發(fā)生飛車由于方案二中主、從輥的電流給定來源一致，所以這種方法可以很好地實現負荷均衡。在連續(xù)帶鋼生產線的改造中，負荷均衡方案二得到成功使用。

3.功能實現

該生產線共有5個張緊輥，由于該生產線中張緊輥數量較多，控制方法基本相同，因此現以1#張緊輥的控制為例進行說明。按照帶鋼的行走方向，在1#張緊輥中最先接觸帶鋼的輥子為1#輥，另一個為2#輥，定義1#輥為主輥，2#輥為從輥。因為連續(xù)帶鋼生產線1#張緊輥的1#輥、2#輥包角相同功率不同，這樣就不需要考慮包角問題，只需要考慮電機的功率因素。負荷平衡控制的基本原理就是主、從輥按比 例分配總的轉矩。負荷分配公式如下所示：

M1=（M1+M2）×P1/（P1+P2） （1）

M2=（M1+M2）×P2/（P1+P2） （2）

式中：M1——1#輥轉矩；

M2——2#輥轉矩；

P1——1#輥的額定功率；P2——1#輥的額定功率；K=P2/P1為負載系數。

在此首先給出張緊輥主、從控制系統(tǒng)簡化的原理框圖，如圖5所示，然后分析主、從輥速度同步及負荷均衡的實現。

1#張緊輥單動運行時，入口段運行控制字為0，主從輥的速度環(huán)和電流環(huán)分別同時參與控制，控制過程中，賦予主、從輥相同的速度給定，單動時的速度給定為一定值。主、從輥的轉矩限幅值都由PLC給定。

圖5　張緊輥主從控制原理圖

1#張緊輥聯動運行時，入口段運行控制字為1，1#張緊輥正向運動。當主輥承受的負載發(fā)生波動時，會影響主輥電機的實際轉矩，若主輥電機的實際轉矩大于1%的電機額定轉矩時，此時S7-400PLC程序會選擇一個大小為5%額定轉速的速度增量與從輥的轉速給定做加法運算，由于加法運算的和大于從輥的速度反饋，使得速度調節(jié)器迅速飽和。速度調節(jié)器飽和之后，主輥的實際轉矩乘以負載系數K，得到的絕對值來對從輥轉速調節(jié)器的輸出進行限幅，主輥自身的轉矩限幅由PLC來給定。當1#張緊輥反轉時，分析過程與之類似。

1#張緊輥的加速度設定、加速時間設置全部在PLC中完成，當活套充套時，1#張緊輥按照PLC中設置的加速曲線跟著加速。當活套車運動到滿套減速位置時，此時1#張緊輥按照PLC中設置的曲線跟著減速。

三、慣性矩補償

當張緊輥加、減速運行時，為防止帶鋼由于前后速度不一致而產生震蕩，必須對張緊輥電動機進行慣性矩補償。慣性矩補償主要由電機中轉動慣量恒定的部位組成，如芯軸等。慣性矩補償的計算公式為：

ΔT=J×a （3）

式中： J——機械系統(tǒng)、轉子折算

到電機的固定慣性矩；

a——加速度。

通常機械制造商會給出J值，如果不能獲得，可通過傳動調試確定。做法：（1）可以通過DP讀取傳動數據，在S7400PLC中完成計算；（2）可以用6RA80DC master傳動裝置內的自由功能塊完成計算。

四、6RA80參數設置及優(yōu)化

6RA80裝置主要運行參數設置見表1。為完善連續(xù)帶鋼生產線自動化控制，使生產運行于精度高、穩(wěn)定性強、安全性好的環(huán)境，需要對電機參數進行優(yōu)化，以提高生產效率和產品成品率。優(yōu)化電機時參數P50051=24（勵磁電流）和25（電樞電流）自動確定PI參數，使輸出電流可控。優(yōu)化電機參數P50051=26時自動確認速度環(huán)的PI值。電機參數P50051=27時優(yōu)化EMF控制（包含勵磁特性曲線記錄）。

表1　主要運行參數表

五、結語

2014年8月，直流調速裝置6RA80成功應用于連續(xù)帶鋼生產線，6RA80的主從控制模式解決了張緊輥傳動系統(tǒng)的速度跟隨和負荷均衡問題。生產過程中帶鋼不再劇烈抖動，減小了對系統(tǒng)的沖擊，電機電流穩(wěn)定在正常范圍內。既保護電機，也保護傳動設備，減少了電氣設備因負荷分配不均而引起的故障，降低設備維護費用，大大提高了生產效率，同時提高了帶鋼質量。

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